我們還要多久，才能找到智慧生命

來源 「科學大院」公眾號（ID:kexuedayuan）

作者 乘涼

和人們狂熱探尋生命存在的火星不同，距離我們更近的金星，由於遍地都是活躍的火山、硫酸雨，以及充斥著二氧化碳的致命大氣，這種惡劣的環境很難讓人相信有生命能在此存活。可是在最近的金星探測中，我們居然發現了生命存在的標記物：磷化氫。

在我們的科學認知裡，因為金星上沒有人類的工業活動，所以不可能產生高濃度的磷化氫，那麼原因很可能歸咎於厭氧生物的新陳代謝。也就是說，金星上很可能存在生命！

研究人員在金星上發現了磷化氫分子信號，估算出金星雲層中每10億個分子約有20個磷化氫分子，是地球大氣中濃度的1000-100萬倍（圖源: ESO/M. Kornmesser/L. Calçada and NASA/JPL/Caltech）

如果這不是數據處理過程中的烏龍，而是真實存在的事實。那麼新南威爾斯大學光譜學家McKemmish的評論就非常的貼切了：這項研究標誌著尋找外星生命的新時代開端。

這聽起來讓人難以置信。我們在火星上找了那麼久生命的跡象，前後有三十多個探測器造訪過火星，可謂是付出了大代價，可至今仍未能撥雲去霧。而此次對金星的探測卻未疲勞奔命，僅僅是用地面的望遠鏡就探測到其大氣上存在的生命特徵信號。雖然秉持著科學的嚴謹性，這一信號還需要其他望遠鏡觀測結果的證實，但這一重磅發現已經非常了不起。

不過，有外星生命不等於有智慧生命，這離我們所想像的外星智慧文明也相差甚遠。探討擁有智慧文明的外星人一直是大家喜聞樂見的話題。有人期待外星人是充當地球文明拯救者的「降臨派」、也有人擔心外星人是侵略地球的一派......這裡我們撇開各自不同的觀點，僅僅關注一個問題，那就是有沒有外星文明？如果有那該怎麼找？（為了表述方便，下文的外星人、外星生命等詞語都表示科技水平達到或超過人類水平的智慧生物）

存在外星文明嗎？

——德雷克公式告訴你答案

1961年，在一次尋找智能地外生命的科學會議上，著名的科學家弗蘭克·德雷克（Frank Drake）提出了大名鼎鼎的描述宇宙外星文明數量的德雷克公式。公式裡估算了我們宇宙中可能存在的智慧生命個數。雖然沒有明確的物理含義，只是一系列參數的相乘，但是卻給我們尋找外星文明提供到了新的思路。

Drake 方程（圖片摘自微信公眾號：原理）

由於我們對宇宙知之甚少，唯一確定的是地球有生命。所以在可供參考的樣本只有一個的情況下，我們對公式裡涉及生命和智能文明的幾個參數可以說是全靠瞎猜。公式裡每個參數的估值都有大小之分，反映的最終結果也是千差萬別。一些悲觀派認為，整個宇宙中只有1 %的星系可以孕育文明；而樂觀派則認為銀河系擁有的外星文明就有14 萬之多，這讓我們平日裡看到的銀河頓時變得喧鬧不堪。

雖然德雷克方程並不能準確的告訴我們宇宙中有幾個外星文明，但是不管是樂觀還是悲觀的估計，我們都相信：宇宙中存在智慧生命。然而事實卻不由得讓人唏噓：到目前為止，我們沒有發現任意一個的存在。難不成，除了太陽系的這個小藍點，放眼望去全是沉寂和虛空？

對於這一窘境的解釋有懷疑外星人不存在的費米悖論，也有諸如我們是被外星人實驗觀察的對象，亦或者嫌我們科技水平太低不願和我們交流......這裡沒有正確答案。不過於筆者而言，我從感性上偏向於外星智慧文明是存在的。要不然，諾大的宇宙僅僅誕生地球一個文明不是很浪費地方嗎？

電影《超時空接觸》臺詞（英文原名《contact》

（圖片截取自該電影）

盤點發現外星人的方法

如果篤定外星文明存在，那我們該怎麼找到它呢？大體有以下三種思路。

第一種：走出去。最直接的方式是派飛船去搜尋，如果我們發射一個星際飛船去造訪某個星球，那麼該星球上是否存在智慧外星生命就變得顯而易見。可惜這種方法在科技和經濟上都是一個難題。本以為上世紀六十年代就實現載人登月的我們，能夠在上世紀末載人登陸火星甚至走出太陽系，然而我們現在重返月球都是一個問題，更不用說那遙遠的星際飛行了。所以第一種方法並不可行。

星際飛行暢想圖（圖源：scienceabc)

第二種：「喊」出來。雖然我們的足跡被局限在地球上，但只要我們「嗓門大」，朝空曠的太空「喊」一嗓子，如果被外星生命監聽到，很大概率上會得到回應。這種「喊話」的方法是向太空的某一部分採用超高功率的發射機發送攜帶我們問候信息的電磁波。例如，1974年，阿雷西博（Arecibo）望遠鏡就曾向武仙座的球狀星團M13發送了一串無線電信息，不過至今還沒得到回覆。可惜的是，我們尚未擁有能實現星際通訊的大功率信號發射機，現有的信號到太陽系邊緣就可能和白噪聲沒多大區別了，當然也不排除有智慧文明可以識別出來。

或許很多人幻想著像科幻小說《三體》裡描述的那樣，利用太陽作為中繼放大器，在宇宙中廣播我們的坐標來獲得外星人的回覆。但小說畢竟只是小說，這種設想目前在理論上是不可行的。同時，由於我們對外星文明並不了解，做這樣的事具有很大風險。有不少科學家對我們向太空盲目發射信號持有顧慮，總之，想實施第二套方案也並非易事。

跳票的《三體》電影海報，背景是向三體文明發送訊息的紅岸基地（圖源：《三體》電影海報）

第三種，守株待兔式地聆聽。在前兩種方式幾乎都不可行的前提下，我們只能寄希望於在地球上收聽到來自外星球的電磁波信號。排除那些暫時未發展到電氣水平的星球，以及那些保持沉默的星球（可能電磁環境的寧靜標誌著它們技術水平的先進），我們也許能碰到擁有星際信號發射能力並願意聯繫其他外星文明的智慧生命給我們發來的信號。

這些信號或許是無差別廣播的，或者是專門對我們投放的，但無論是哪種形式都會讓我們知道宇宙還存在其他外星文明。這種方法雖然看起來比較蠢，沒有主動性，卻是我們現在最有效，也看似對人類文明最安全的方法。

監聽來自外星文明的信號

（圖源：電影《超時空接觸》劇照）

「守株待兔」也是一門需要錢的技術活

監聽外星信號主要是用地面的射電望遠鏡或者射電望遠鏡陣列去搜尋可疑的天體目標，來確認是否收到了智慧信號。早在上世紀60 年代，就誕生了一個專門搜尋地外智慧文明的項目：SETI（searches for extraterrestrial intelligence）。項目的初衷是聯合世界各大射電望遠鏡，騰出一部分時間來接收可疑目標傳來的電磁波信號。這些信號可能來自於任意一個地方，研究人員要嘗試從平淡的白噪聲中挖掘是否有智慧信息的存在。諸多望遠鏡紛紛劃分了一定的時間參與到了這一項目中，我國的五百米大口徑天眼（FAST）也加入其中。

專門用於執行SETI計劃的艾倫射電陣（Allen Telescope Array ），每面天線造價高達20萬美元（圖源：nsf.gov）

六十年過去了，除了聽不完的白噪聲，最大的收穫是來自宇宙的那一聲「WOW」，可惜這一信號並沒有得到重複，是真是假也無處考證。藉此，學術界裡有很多學者對SETI持批評的態度，認為六十年裡我們浪費了大量的觀測時間和資金作用在這個看不到曙光的項目上。如果把這部分觀測時間花在對天體的研究上，說不定今天天體物理的發展可以再向前邁進一步。

1977年接收到的疑似外星文明發來的「WOW」

（圖源：wikipedia.org）

不過這種指責顯然存在偏見。首先除了SETI項目組自有的ATA（艾倫射電望遠鏡陣列）專門用來搜尋外星人外，其他望遠鏡花在這方面的時間比例幾乎是鳳毛麟角。而ATA陣列本身也是經費不足的產物，直至2007年才落成，先前預想的350面天線只建成了42面。而且項目的運營需要組織或機構買單，少有經費支持的ATA一度在2011年瀕臨終止。

所以事實並非我們所預想的那樣，只要有望遠鏡，接下來的一切就順其自然那麼簡單。「守株待兔」的聆聽也沒有想像的那麼容易，不僅需要技術還需要一點點「鈔」能力。畢竟人員工資需要錢，設備維護需要錢，投入觀測時間也需要錢，伺服器也要錢......

在宇宙之海裡「撈」信號

那除了錢呢？還有什麼科學上的限制嗎？當然有！要知道太空中的射電信號非常普遍。這些信號的來源有遠有近，信號強度有強有弱，並且如同我們在收音機可以收聽不同的頻道一樣，太空的射電信號也有著千百萬的子頻道。要在廣闊的宇宙空間裡，搜索未知來源、未知強度、未知波段的信號，其難度無異於大海撈針，只不過大海變成了無垠的太空。

整個電磁波家族，左端是我們SETI關注的射電和微波波段（圖源：wikiversity.org）

假如我們非要詢問一番：這片要尋覓的宇宙之海有多大？那麼在SETI項目裡似乎可以找到答案。雖然SETI項目尋找外星人的方法有點像愚公移山，但畢竟它也是科學項目，其中肯定有科學性的一面。那就讓我們來客觀的評估一下這一片宇宙汪洋有多大，以及我們從中打撈了何等比例的水。

要想客觀評估我們的搜索進度，首先需要將搜索過程的指標參數化。類似要在湖底打撈一把劍，那麼湖的面積就是我們搜索中的參數。在不知道劍在哪個區域掉落的前提下，我們只能逐片搜索，只要區域搜索完畢，肯定能找到劍。搜索外星人也是同樣的道理，只不過這裡不單單是宇宙空間大小那麼簡單，還會涉及到很多技術參數。假設外星人存在，那麼在所有參數限定下的體積下搜索的空間越大，就越有期望找到。

最早給SETI計劃進行參數化評估的，要追溯到1981年，名為Wolfe的學者提出可以用包含空間維度，即通過觀測頻率帶寬、觀測靈敏度等參數來衡量我們的搜索「體積」，讓我們的搜索工作從刻板映像中的三維空間搜索，升級到了更高的n維空間（雖然這種升級讓人覺得有點沮喪...）

隨後幾十年裡，隨著射電技術的發展，不同的學者也給出了相對應的參數搜索空間。在2018年末，Json等人提出關於SETI搜尋的8維參數空間，這裡僅僅列出這8個維度供大家參考：

1. 望遠鏡觀測的靈敏度

2. 傳輸的中心頻率

3-5. 距離和位置（指代的三維空間）

6. 傳輸的帶寬

7. 對目標源的觀測時間

8. 信號的偏振

9. 信號的調製

（註：第9個不是嚴格意義的獨立參數，而是一個囊括前面所有參數的綜合參數，所以整體還是8維參數空間）

通過計算得知，整個8 維的宇宙海洋體積為6.4×10¹¹⁶ mHzsW^{5 2 -1},這一數字確實很大，不過單拿出來貌似沒有什麼意義。我們不妨計算一下不同SETI觀測計劃相對這片8維空間所佔的比例：

不同觀測項目使用的望遠鏡情況，以及它們搜索的體積佔總的8維參數空間的比例，注釋：這些觀測項目部分是論文裡提到的，也有些源自於子項目。（數據摘錄於參考文獻 [3] ）

值得注意的是，表格最右側數據的數量級幾乎都處於10-19附近，如果我們把這些數值全部加起來，佔比分數則達到了6.0×10-18。這一比例意味著什麼呢？整個地球海水的體積約為1.335×1021 L，而我們打撈的體積則有 8,000 L，接近水立方泳池全都蓄滿水的量。這樣看來，把SETI項目比喻大海撈針也不為過。

最近，澳大利亞射電陣列MWA展示了他們新的SETI觀測結果。這次的觀測時長為17 小時，目標是船帆座地區。雖然呈現的結果在意料之中：沒有探測到任何智慧信號的跡象，所有的訊息都來自於已知的天體物理現象。不過好消息是，按照剛剛介紹的8維空間，此次探測體積所佔的比例達到了2×10-16，是有史以來得到的最大值，比上面表格裡的都普遍高了100多倍。這提醒我們，SETI項目急不得，還有很長的路要走。

8維參數空間使得SETI計劃的執行更加的參數化，讓我們更直觀的了解到尋找智慧文明的進程。不過要注意的是，這一參數空間並不是唯一的，也存在與之類似的參數衡量方法，但結論都是類似的，那就是現有的進展都是滄海一粟。

讀到這裡你可能會問：一定要把參數空間的每一個角落都找遍才能發現外星人嗎？

答案是不一定。我們能希冀的是在8維空間裡，不單單只有一串外星信號。根據前面德雷克方程的推算，外星生命越多，我們越有希望在小的搜索空間裡找到他們。況且，這一空間只是說明我們搜索空間的完備性，至於已經搜索的參數空間存不存在智慧訊息，還需要動用大量的計算資源來驗證。

結語

搜索外星人是一件很酷卻又很玄的事情。因為一切對外星文明的猜測都源自於我們人類自己的知識體系，所以從0到1的過程也是最難的。如果硬要強調我們對外星人的了解，那就是我們對外星人一無所知。

目前，外星搜索計劃的經費雖然捉襟見肘，但好在沒有停頓。前幾個月我國FAST的正式加入，對SETI計劃來說無疑是個好消息，它極為優秀的靈敏度也被媒體認為是最有希望找到外星文明的望遠鏡。看似一切都在慢慢地推進中。

所以，到底還要多久才能發現外星人呢？

鋪墊了這麼多，你覺得呢？

參考文獻:

[1] Drake, F. D. 1965, in Current Aspects of Exobiology, ed. G. Mamikunian &M. H. Briggs (Oxford: Pergamon), 323

[2] Tremblay, C. D., & Tingay, S. J. (2020). A SETI Survey of the Vela Region using the Murchison Widefield Array: Orders of Magnitude Expansion in Search Space.

[3] Wright, J. T., Kanodia, S., & Lubar, E. (2018). How Much SETI Has Been Done? Finding Needles in the n -dimensional Cosmic Haystack . The Astronomical Journal, 156(6), 260.

[4] Wolfe, J. H., Billingham, J., Edelson, R. E., et al. 1981, in Proc. Life in the Universe, NASA Conf. Publication 2156, ed. J. Billingham (Cambridge, MA: MIT Press), 391

作者單位：中國科學院大學

本文出品自「科學大院」公眾號（kexuedayuan）

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